Страница 66 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян

а) углерода и кремния

Для сравнения строения и свойств атомов углерода (C) и кремния (Si) обратимся к их положению в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева.

Сравнение строения атомов:

Общее: Углерод и кремний находятся в одной группе — IVA (14-й группе). Это означает, что у их атомов одинаковое число электронов на внешнем энергетическом уровне, а именно 4 валентных электрона.

Различия: Углерод находится во 2-м периоде, а кремний — в 3-м.

• Атом углерода (C) имеет порядковый номер 6. Заряд его ядра +6, в нем 6 протонов и 6 электронов. Электроны располагаются на двух энергетических уровнях. Электронная конфигурация: $+6C) \space 1s^22s^22p^2$.
• Атом кремния (Si) имеет порядковый номер 14. Заряд его ядра +14, в нем 14 протонов и 14 электронов. Электроны располагаются на трех энергетических уровнях. Электронная конфигурация: $+14Si) \space 1s^22s^22p^63s^23p^2$.

Таким образом, атом кремния имеет большее число энергетических уровней и, как следствие, больший атомный радиус по сравнению с атомом углерода.

Сравнение свойств атомов:

Общее: Сходство в строении внешнего электронного слоя определяет сходство химических свойств. Для обоих элементов характерны степени окисления от -4 до +4 (наиболее устойчива +4). Оба элемента являются неметаллами, образуют летучие водородные соединения состава $ЭH_4$ ($CH_4$ — метан, $SiH_4$ — силан) и высшие оксиды состава $ЭO_2$ ($CO_2$ и $SiO_2$), которые являются кислотными.

Различия: С увеличением числа энергетических уровней (при переходе от углерода к кремнию) валентные электроны находятся дальше от ядра и слабее с ним связаны. Это приводит к следующим различиям:

• Электроотрицательность у кремния ниже, чем у углерода.
• Неметаллические свойства у кремния выражены слабее. Углерод — типичный неметалл, в то время как кремний проявляет свойства полуметалла (полупроводника).
• Кислотные свойства высших оксидов и соответствующих им гидроксидов ослабевают. Угольная кислота ($H_2CO_3$) является более сильной кислотой, чем кремниевая ($H_2SiO_3$).

Ответ: Атомы углерода и кремния имеют одинаковое число валентных электронов (4), что обуславливает сходство их химических свойств (например, высшая степень окисления +4). Однако атом кремния имеет на один электронный слой больше и больший радиус, поэтому у него ниже электроотрицательность и слабее выражены неметаллические свойства по сравнению с углеродом.

б) кремния и фосфора

Сравним строение и свойства атомов кремния (Si) и фосфора (P), используя их положение в Периодической системе.

Сравнение строения атомов:

Общее: Кремний и фосфор находятся в одном и том же, 3-м периоде. Это значит, что электроны в их атомах располагаются на одинаковом числе энергетических уровней — трех.

Различия: Элементы находятся в соседних группах: кремний в IVA (14-й), а фосфор в VA (15-й).

• Атом кремния (Si) имеет порядковый номер 14. Заряд ядра +14. На внешнем уровне находятся 4 электрона. Электронная конфигурация внешнего слоя: $3s^23p^2$.
• Атом фосфора (P) имеет порядковый номер 15. Заряд ядра +15. На внешнем уровне находятся 5 электронов. Электронная конфигурация внешнего слоя: $3s^23p^3$.

Таким образом, при одинаковом числе электронных слоев у атома фосфора больше заряд ядра и большее число валентных электронов.

Сравнение свойств атомов:

Различия в строении определяют закономерное изменение свойств при движении по периоду слева направо (от Si к P):

• Атомный радиус уменьшается. Увеличение заряда ядра (+14 у Si, +15 у P) при том же числе электронных слоев приводит к более сильному притяжению электронов к ядру. Поэтому атом фосфора меньше атома кремния.
• Электроотрицательность возрастает. Фосфор является более электроотрицательным элементом, чем кремний.
• Неметаллические свойства усиливаются. Если кремний — это полуметалл, то фосфор — уже типичный неметалл.
• Кислотные свойства высших оксидов и их гидроксидов усиливаются. Высшему оксиду кремния $SiO_2$ соответствует очень слабая кремниевая кислота $H_2SiO_3$. Высшему оксиду фосфора $P_2O_5$ соответствует ортофосфорная кислота $H_3PO_4$, которая является кислотой средней силы и значительно превосходит по силе кремниевую.

Ответ: Атомы кремния и фосфора имеют одинаковое число энергетических уровней (3). Однако у фосфора больше заряд ядра и число валентных электронов (5 против 4 у кремния). Вследствие этого при переходе от кремния к фосфору атомный радиус уменьшается, а электроотрицательность и неметаллические свойства усиливаются.

Ионная связь возникает между атомами, которые сильно отличаются по электроотрицательности, как правило, между типичным металлом и типичным неметаллом. В процессе образования связи атом металла отдает свои валентные электроны, превращаясь в положительно заряженный ион (катион), а атом неметалла принимает эти электроны, превращаясь в отрицательно заряженный ион (анион). Возникающее между разноименно заряженными ионами электростатическое притяжение и есть ионная связь.

Решение

Калий ($K$) — это щелочной металл, находящийся в 1-й группе периодической системы. Его атом имеет один валентный электрон на внешнем энергетическом уровне. Для достижения стабильной электронной конфигурации (как у инертного газа аргона) атому калия энергетически выгодно отдать этот электрон.

Процесс превращения атома калия в ион (катион):

$K^0 - 1e^- \rightarrow K^+$

Кислород ($O$) — это неметалл, находящийся в 16-й группе. Его атому с шестью валентными электронами для завершения внешнего уровня до стабильных восьми электронов (как у инертного газа неона) необходимо принять два электрона.

Процесс превращения атома кислорода в ион (анион):

$O^0 + 2e^- \rightarrow O^{2-}$

Для образования электронейтрального соединения необходимо, чтобы общее число отданных электронов равнялось общему числу принятых. Так как один атом кислорода принимает два электрона, а один атом калия отдает только один, то для взаимодействия с одним атомом кислорода потребуется два атома калия. Каждый из двух атомов калия отдает по одному электрону атому кислорода.

Общая схема образования связи в оксиде калия ($K_2O$):

$2K^0 + O^0 \rightarrow 2K^+ + O^{2-} \rightarrow K_2O$

Возникшее электростатическое притяжение между двумя катионами калия $K^+$ и одним анионом кислорода $O^{2-}$ формирует ионную связь в соединении.

Ответ: Два атома калия ($K$) отдают по одному электрону одному атому кислорода ($O$). В результате образуются два катиона калия $K^+$ и один анион кислорода $O^{2-}$, которые притягиваются друг к другу, образуя ионное соединение оксид калия ($K_2O$). Схема: $2K + O \rightarrow 2K^+ + O^{2-}$.

Решение

Литий ($Li$) — щелочной металл 1-й группы. Его атом имеет один валентный электрон. Он легко отдает его, превращаясь в положительно заряженный ион $Li^+$, приобретая стабильную электронную конфигурацию гелия.

Схема процесса: $Li^0 - 1e^- \rightarrow Li^+$

Хлор ($Cl$) — неметалл-галоген 17-й группы. Его атому, имеющему семь валентных электронов, для достижения стабильной конфигурации аргона не хватает одного электрона. Он принимает один электрон, превращаясь в отрицательно заряженный хлорид-ион $Cl^-$.

Схема процесса: $Cl^0 + 1e^- \rightarrow Cl^-$

Атом лития отдает один электрон, и атом хлора принимает один электрон. Таким образом, для образования электронейтрального соединения требуется один атом лития и один атом хлора.

Общая схема образования связи в хлориде лития ($LiCl$):

$Li^0 + Cl^0 \rightarrow Li^+ + Cl^- \rightarrow LiCl$

Между катионом лития $Li^+$ и хлорид-анионом $Cl^-$ возникает электростатическое притяжение, то есть ионная связь.

Ответ: Атом лития ($Li$) отдает один валентный электрон атому хлора ($Cl$). В результате образуются катион лития $Li^+$ и хлорид-анион $Cl^-$. Эти ионы образуют ионное соединение хлорид лития ($LiCl$) за счет электростатического притяжения. Схема: $Li + Cl \rightarrow Li^+ + Cl^-$.

Решение

Магний ($Mg$) — щелочноземельный металл 2-й группы. Атом магния имеет два валентных электрона. Чтобы достичь стабильной электронной конфигурации неона, он отдает оба электрона, превращаясь в двухзарядный катион $Mg^{2+}$.

Схема процесса: $Mg^0 - 2e^- \rightarrow Mg^{2+}$

Фтор ($F$) — неметалл-галоген 17-й группы, самый электроотрицательный элемент. Атом фтора имеет семь валентных электронов. Для завершения внешнего уровня (до конфигурации неона) ему необходимо принять один электрон, в результате чего он превращается в отрицательно заряженный фторид-ион $F^-$.

Схема процесса: $F^0 + 1e^- \rightarrow F^-$

Атом магния отдает два электрона, а атом фтора может принять только один. Следовательно, для нейтрализации заряда одного иона магния ($+2$) необходимо два иона фтора (каждый с зарядом $-1$). Один атом магния взаимодействует с двумя атомами фтора, отдавая каждому по одному электрону.

Общая схема образования связи во фториде магния ($MgF_2$):

$Mg^0 + 2F^0 \rightarrow Mg^{2+} + 2F^- \rightarrow MgF_2$

Ионная связь в этом соединении возникает за счет притяжения одного катиона магния $Mg^{2+}$ и двух фторид-анионов $F^-$.

Ответ: Атом магния ($Mg$) отдает два своих валентных электрона двум атомам фтора ($F$), по одному электрону каждому. В результате образуется один катион магния $Mg^{2+}$ и два фторид-аниона $F^-$. Между ними возникает электростатическое притяжение, формирующее ионное соединение фторид магния ($MgF_2$). Схема: $Mg + 2F \rightarrow Mg^{2+} + 2F^-$.

Типичность металлических и неметаллических свойств элементов определяется их положением в Периодической системе Д. И. Менделеева и связана с закономерностями изменения строения их атомов.

Самый типичный металл

Металлические свойства характеризуются способностью атома легко отдавать валентные электроны. Эти свойства усиливаются в группах сверху вниз (с увеличением номера периода) и в периодах справа налево (с уменьшением номера группы). Это происходит из-за увеличения радиуса атома и, как следствие, ослабления связи валентных электронов с ядром. Таким образом, элемент с наиболее выраженными металлическими свойствами должен находиться в левом нижнем углу Периодической системы. Этим элементом является франций (Fr), расположенный в I группе, 7 периоде. Он обладает самым низким значением энергии ионизации и электроотрицательности, что делает его самым активным металлом.

Ответ: самый типичный металл – франций (Fr).

Самый типичный неметалл

Неметаллические свойства характеризуются способностью атома принимать электроны. Эти свойства усиливаются в группах снизу вверх (с уменьшением номера периода) и в периодах слева направо (с увеличением номера группы). Это связано с уменьшением радиуса атома и увеличением его электроотрицательности. Следовательно, элемент с наиболее выраженными неметаллическими свойствами должен находиться в правом верхнем углу Периодической системы. При определении самого типичного неметалла обычно не рассматривают благородные газы (VIII группа), так как их внешние электронные уровни завершены, и они химически крайне инертны. Поэтому самым типичным неметаллом является фтор (F), расположенный в VII группе, 2 периоде. Фтор обладает наивысшей электроотрицательностью среди всех химических элементов.

Ответ: самый типичный неметалл – фтор (F).

Изначально элементы 18-й группы периодической таблицы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон и оганесон) называли инертными газами. Это название было связано с тем, что долгое время считалось, будто они абсолютно не способны вступать в химические реакции. Причиной такой инертности является их электронное строение: у всех этих газов, кроме гелия, на внешнем электронном уровне находится по 8 электронов (электронный октет), что представляет собой очень устойчивую, завершенную конфигурацию.

Представление о полной инертности было опровергнуто в 1962 году, когда химик Нил Бартлетт синтезировал первое химическое соединение на основе одного из этих газов — гексафтороплатинат ксенона ($Xe^+[PtF_6]^−$). Это открытие доказало, что данные элементы все же могут образовывать соединения, хотя и вступают в реакции с большим трудом, как правило, с самыми химически активными веществами, такими как фтор.

Поскольку термин «инертные газы» оказался не совсем точным, было предложено новое название — благородные газы. Это название было выбрано по аналогии с «благородными металлами» (например, золото, платина, палладий).

Аналогия заключается в их низкой реакционной способности. Подобно тому как благородные металлы устойчивы к коррозии и окислению, благородные газы также крайне неохотно вступают в химические взаимодействия. Слово «благородный» в данном контексте подчеркивает их «избранность», «возвышенность» и самодостаточность по сравнению с другими, более активными элементами, которые легко образуют соединения. Таким образом, название отражает не абсолютную пассивность, а скорее «аристократическое» нежелание вступать в связи с другими элементами.

Ответ: Инертные газы стали называть благородными после того, как было обнаружено, что они все-таки могут вступать в химические реакции, хоть и с большим трудом. Новое название было дано по аналогии с благородными металлами (золото, платина), которые также отличаются очень низкой химической активностью и «неохотно» реагируют с другими веществами. Термин «благородный» подчеркивает их химическую устойчивость и «особенное положение» среди других элементов.